双层介电薄膜结构双液体变焦透镜的研究

在双层介电薄膜结构双液体变焦透镜模型的基础上,分析了透镜焦距与外加电压、双层介电薄膜的介电常量、薄膜厚度等参量的关系.并以降低双液体变焦透镜驱动电压为目的,选择了相对介电常量较高的五氧化二钽薄膜作为内层介电层,相对介电常量较低的防水层为外层介电层,分析了双层介电薄膜的厚度以及厚度的匹配对双液体变焦透镜的变焦范围和驱动电压的影响,在保证一定的变焦范围并尽可能降低透镜驱动电压情况下获得最佳透镜工艺参量.模拟结果表明:疏水层薄膜厚度比高介电层薄膜厚度小很多时,双液体变焦透镜可实现低压驱动,且双液体变焦透镜在一定变焦范围内所需驱动电压可下降到10V以下,而疏水层薄膜厚度与高介电层薄膜厚度相当或高于高介电层薄膜厚度都不能有效利用高介电薄膜的高介电性能来降低双液体变焦透镜的驱动电压.     

低压双液体变焦透镜的理论及工艺研究

通过对仅有单层介电薄膜双液体变焦透镜模型的相关理论分析,得出介电层薄膜的厚度及均匀性对双液体变焦透镜的性能影响很大,并绘制了双液体变焦透镜焦距与驱动电压、介电层厚度的关系曲线.在此基础上,以降低双液体变焦透镜的驱动电压为目的,对介电层的选择进行了分析,选择既可充当介电层又可充当疏水层的派瑞林材料作为双液体变焦透镜的介电层材料,通过真空蒸发镀膜工艺得到了合适厚度的介电层派瑞林薄膜,并对所镀薄膜表面形貌以及厚度进行了测试.选择氯化钾以及溴代十二烷作为导电液体和油性液体,利用离心方式除去液体中溶有的气体,进而制作完成双液体变焦透镜样品.电驱变焦实验得到低压双液体变焦透镜样品的变焦范围为±20mm,驱动电压约为30V,对于实验过程中出现的迟滞效应,通过对杨氏方程中引入摩擦力项,合理地解释了其原因.     

微穿孔介电弹性体薄膜的吸声性能试验分析*

针对普通薄膜型降噪结构的吸声性能较差和吸声带宽较窄的问题,本文设计了一种微穿孔的介电弹性体薄膜吸声结构。该结构由穿孔的介电弹性体薄膜与背腔组合而成,目的是拓宽介电弹性体薄膜低频率段的吸声带宽。针对微穿孔的介电弹性体薄膜吸声结构,从试验角度分析穿孔薄膜初始厚度、穿孔孔径及穿孔间距对结构吸声性能的影响。分析结果可知：通过适当增加薄膜的初始厚度,薄膜的整体吸声性能得到有效提升,最大可将319Hz吸声频带的吸声系数从0.2提升至0.7;减小薄膜的穿孔孔径能够有效拓宽穿孔薄膜的吸声频带,可使吸声系数0.4以上的吸声带宽由304Hz拓宽至432Hz;适当控制穿孔间距能够达到更好的吸声效果。     

双液体变焦透镜变焦迟滞现象的研究

通过引入接触线摩擦力,建立了基于双液体变焦透镜内壁的液液固三相系统接触线的力学物理模型,重新对非理想状态下液液固三相系统接触线进行了受力分析.在此基础上,对杨氏方程进行了改进,合理地解释了双液体变焦透镜的变焦迟滞现象.通过对疏水介电层厚度为2 μm的双液体变焦透镜进行加电压变焦实验,给出了双液体透镜的焦距与电压之间的迟...     

电润湿液体透镜暂态过程的测试与分析

提出在电压驱动下液体透镜的响应包括固有响应和强制响应,固有响应信号的函数形式由液体透镜的各种参数决定,与驱动电压无关,但其系数与驱动电压有关,强制响应与驱动电压具有相同的函数形式,液体透镜暂态过程的变化规律取决于固有响应,同样与驱动电压无关。因此,对同一液体透镜改变驱动电压仅改变暂态过程的响应幅度,不改变暂态过程的变化规律,从而也不改变液体透镜的响应时间。实验验证了液体透镜的响应可分解为固有响应和强制响应,测量了不同电压驱动下液体透镜的响应过程及响应时间,并对测试结果进行了理论分析。另外,观察到电润湿液体透镜的反冲现象,该现象出现在加载电压和撤去电压的初始阶段。     

基于平板电极的非球面组合液体透镜的仿真与实验分析

应用介电泳原理设计了一种基于平板电极的非球面组合液体透镜。该透镜主要由上下平行的4块氧化铟锡（ITO）导电平面玻璃板、腔体、介质层和疏水层组成,具有结构简单、易于实现的优点。利用COMSOL、MATLAB和Zemax软件,建立了基于平板电极的非球面组合液体透镜的光学模型,仿真分析了其在不同电压下的焦距变化,并讨论了平板电极的平行度对组合透镜焦距的影响。对该非球面组合透镜的器件制备与实验分析,结果表明：当工作电压由0增加到280 V时,焦距由28.7135 mm变化为20.1943 mm,与仿真结果基本相符;该器件的成像分辨率最高可达49.8244 lp/mm。     

基于电湿效应的双液体透镜

介绍了一种新型的、基于电湿效应的双液体透镜的发展历史、结构原理,通过改变外加电压的大小以调节透镜的焦距,从而达到无机械运动变焦的目的.推导并分析了两种液体透镜模型的焦距与外加电压的关系.     

低压驱动高阻值层液晶透镜

针对传统电极驱动液晶透镜的电场分布在驱动电极边缘的问题,设计了一种高阻值层驱动电极来控制液晶分子偏转的低压驱动和焦距可调的液晶透镜.利用磁控溅射工艺在含镂空孔阵列的面状铝电极基板表面沉积一层掺铝氧化锌透明薄膜,形成高阻值层驱动电极;利用液晶盒成盒工艺将制备好的驱动电极基板和公共电极基板(氧化铟锡玻璃基板)组装成液晶透镜,研究掺铝氧化锌高阻值层、驱动电压、工作频率对液晶透镜光学性能的影响.实验结果表明,对比传统电极驱动液晶透镜,高阻值层电极驱动液晶透镜在驱动电压2.2Vrms和工作频率130kHz下获得的干涉圆环均匀,聚焦光斑小.同时,在驱动电压1.8～2.8Vrms和工作频率130kHz下所制备的液晶透镜焦距可调范围为4.27～2.88mm.     

基于金属侧壁结构的电润湿液体透镜

金属具有良好的可加工性和导电性,利用金属制作液体透镜的壁垒,可有效地提高基于介质上电润湿液体透镜的抗震抗摔、耐电压,以及侧壁电极可加工等性能。针对材料表面平整度对击穿电压的影响进行了相关的研究,在此基础上制备的液体透镜聚焦性能良好,焦距变化的理论值与实验测量值高度吻合,可实现3cm至无穷远范围内的有效变焦。基于金属侧壁结构的电润湿液体透镜将在柔性显示以及液体透镜阵列化、多型化发展中发挥重要的作用。     

大变倍比液体透镜变焦系统设计

分析了电润湿液体变焦透镜的光学特性和变焦系统设计理论,将各组元焦距作为变量,列出了该液体透镜变焦系统的变焦方程.利用粒子群算法优化求解变焦方程,得到符合条件的初始结构;再利用优化设计软件进行像差平衡,设计了一个具有4片液体透镜,焦距为20~120mm的大变倍比液体透镜变焦系统.系统各焦距处光学传递函数在66lp/mm处均大于0.3,畸变小于2%,满足设计要求.     

大变焦范围电调谐液晶变焦透镜的研究

基于向列相液晶指向矢随施加电场作用发生变化的特性, 结合几何光学和液晶理论提出了一种液晶透镜结构模型, 研究了电极大小、隔垫物厚度等液晶透镜参数对液晶透镜焦距的影响. 通过优化参数, 得到结构简单、变焦范围较大的新型液晶透镜样品, 在驱动电压0 V_RMS–250 V_RMS下可调的焦距范围为75–230 mm, 达到155 mm.     

分布式电极连续面型微变形反射镜力电耦合特性分析

 针对基于MEMS技术制造的连续面型薄膜微变形反射镜，从薄膜理论出发对其力电耦合变形特性进行理论分析，导出了镜面变形表达式。利用该式及响应频率表达式，定量分析了镜面相关尺寸参数对变形量的关系，为变形镜的结构设计提供了可靠的理论依据。结果表明，当镜面厚度为1 μm且与驱动电极间距20 μm时，对控制电压不超过120 V，响应频率大于50 kHz的应用场合，变形镜镜面半径应在2.1～13.8 mm之间进行选择。仿真结果显示，驱动电压较小时，镜面变形与驱动电压平方近似成线性关系。     

柔性变焦透镜发展现状

本文从基于力致变形(机械传动)驱动和基于电致变形(智能材料)驱动两方面分析了柔性变焦透镜(FVFL)的发展现状。通过归纳和分析发现:柔性变焦透镜均存在温度、重力对稳定性的影响。传统力致变形驱动的柔性变焦透镜变焦范围大,但响应速度慢,不易微型化设计;电致变形驱动的柔性变焦透镜响应速度快、结构紧凑。改善变焦透镜成像质量、降低驱动电压是目前柔性变焦透镜的研究热点。探索新颖的驱动方式,研究低功耗、智能化变焦系统将是柔性变焦透镜的主要发展趋势。     

基于介电润湿三液体透镜的变焦光学系统的设计与分析

提出了一种基于介电润湿效应的三液体透镜与传统固定透镜组合的三组元结构变焦光学系统.在一、三组元固定不变的情况下,通过移动中间三液体透镜组改变系统焦距,并通过三液体透镜的自变焦特性,确保系统在变焦的同时保持像面位置不变.采用光焦度高斯括号法求解系统的初始结构参量,利用Zemax光学软件进行系统设计与优化,最后对系统的成像质量进行分析.结果表明:该系统总长22mm,可实现2.7~20.3mm范围内的连续变焦,系统变倍比接近8,在空间频率180lp/mm处调制传递函数值均大于0.4.     

基于EWOD的微流控透镜变焦特性分析

随着光学技术的蓬勃发展,传统的固体光学器件难以满足日益增加的微型化、集成化、可调化的现代光学技术发展的需要,新兴的微流控光学器件则为这一需要提供了可能。基于介质上电润湿(EWOD)的液体变焦透镜就是一种微流控光学器件。介绍了该种透镜的几个基本结构和变焦原理,着重推导计算了外加电压与液体透镜曲率半径、焦距的变化关系,分析了其变焦特性,提出了相应消像差方案。     

用于2D/3D可切换显示的柱状液体透镜阵列

提出一种用于二维(2D)/三维(3D)可切换显示的可变焦的柱状液体透镜阵列,主要包含两种不同折射率的透明液体:液体1和液体2,液体1和液体2被透明的弹性薄膜隔离开,弹性薄膜由微支板阵列来支撑。通过外力驱动两种液体在器件内的流动来实现并调节弹性薄膜的形变,弹性薄膜形变有平面形态和可变柱面形态两种,实现该柱状液体透镜阵列焦距从无穷大到有限正焦距的大范围的变焦。实验制作出适用于2D/3D切换显示器的样品,实验结果验证了其变焦性能,该样品与匹配的平板显示器能进自由立体3D显示,而且弹性薄膜能变为平面形态用于普通的2D显示,实现了2D/3D切换显示。     

交流作用下电润湿液体透镜动态过程的测试与分析

基于高斯光束传输理论,研制了一种透镜焦距动态变化的测试装置,给出了测试机理.并采用该测试装置测试了自制的基于电润湿技术的液体透镜焦距随交流信号的动态变化过程,结果表明,液体透镜的焦距随着工作电压幅值和极性的变化而发生相应变化.在一个周期内,依次出现了4个频率为50 Hz的峰值信号1,2,3和4,峰值1和2分别是由工作电压极性引起的,峰值3和4是由振荡模态引起的,且峰值的幅度随电压的增大而增大.这是由于在低压时液体透镜液面的形状随时间按球形变化,高压时液面的形状不再按球形变化,而是会产生新的振荡模态.     

一种静电驱动微机械变形反射镜

 以ANSYS软件的有限元分析为依据对变形反射镜结构模型进行研究,探讨各主要结构参数及驱动电压对变形位移的影响。考虑静电驱动力、张力和空气阻尼衰减对变形镜回复过程的影响,建立一种复合参数模型来预测变形镜的瞬态行为。结果表明,驱动器的弹性薄板厚度、跨度和电极间距明显影响变形位移;驱动器的变形位移随驱动电压的增加出现稳定的非线性增加和不稳定的“拉入”现象;驱动电压撤除后镜面回复时间短,重复性好。     

一个新的自由能函数对介电高弹薄膜的多组等双轴预拉伸下力电耦合实验的预测

当介电高弹聚合物薄膜被施以面内等双轴预拉伸后, 受到厚度方向的电压作用时, 薄膜在力场和电场共同作用下产生大变形. 电场采用Maxwell应力分析, 力场采用橡胶弹性模型分析. 拟合这类变形的常用橡胶弹性模型主要有Neo-Hookean, Arruda-Boyce, Gent等模型. 这些模型对实验数据的定量拟合存在不同程度的偏差. 通过对实验数据的分析, 结合数学方法, 提出了一个新的自由能函数模型. 通过该模型对VHB4905介电高弹聚合物薄膜的多组等双轴预拉伸电力耦合实验进行拟合, 并以Neo-Hookean, Gent模型作为对照, 结果与实验数据拟合很好, 比对照模型的偏差明显缩小.     

荷电液滴脉动变形特性的实验研究

为探讨荷电液滴的变形机理,对滴状模式下荷电液滴的脉动变形特征进行了实验研究。综合考虑毛细管经、荷电电压及液滴的物性参数,采用带有显微变焦镜头的高速数码相机对荷电液滴进行了微距拍摄,并结合图像处理技术研究了荷电液滴的脉动变形问题。实验结果表明:随着电压的增加,液滴的最大变形率逐渐增大,但其脉动变形周期却逐步减小。对于导电性液体,电导率对荷电液滴的变形率及脉动周期影响微弱。表面张力与荷电液滴的最大变形率呈反比,与其脉动变形周期呈正比。